La prossima volta che ti imbatterai in un groviglio di corda, filo o filo annodato, rifletti su questo:la naturale tendenza delle cose ad aggrovigliarsi può aiutare a spiegare la natura tridimensionale dell'universo e come si è formato.

Un team internazionale di fisici ha sviluppato una teoria fuori dagli schemi secondo cui poco dopo la sua comparsa 13,8 miliardi di anni fa, l'universo era pieno di nodi formati da filamenti flessibili di energia chiamati tubi di flusso che collegano insieme le particelle elementari. L'idea fornisce una chiara spiegazione del perché abitiamo in un mondo tridimensionale ed è descritta in un articolo intitolato "L'inflazione nodosa e la dimensionalità dello spazio-tempo" accettato per la pubblicazione nel European Physical Journal C e disponibile sul server di prestampa arXiv.

"Sebbene la domanda sul perché il nostro universo abbia esattamente tre (grandi) dimensioni spaziali sia uno dei più profondi enigmi della cosmologia... in realtà viene affrontata solo occasionalmente nella letteratura [scientifica], "inizia l'articolo.

Per una nuova soluzione a questo puzzle, i cinque coautori - professori di fisica Arjun Berera all'Università di Edimburgo, Roman Buniy alla Chapman University, Heinrich Päs (autore di "The Perfect Wave:With Neutrinos at the Boundary of Space and Time") all'Università di Dortmund, João Rosa dell'Università di Aveiro e Thomas Kephart della Vanderbilt University – hanno preso un elemento comune dal modello standard della fisica delle particelle e lo hanno mescolato con una piccola teoria di base dei nodi per produrre un nuovo scenario che non solo può spiegare la predominanza delle tre dimensioni, ma fornisce anche una fonte di energia naturale per lo scatto di crescita inflazionistica che la maggior parte dei cosmologi ritiene che l'universo abbia attraversato microsecondi dopo essere esploso.

L'elemento comune che i fisici hanno preso in prestito è il "tubo di flusso" composto da quark, le particelle elementari che compongono protoni e neutroni, tenuti insieme da un altro tipo di particella elementare chiamata gluone che "incolla" i quark insieme. I gluoni collegano i quark positivi agli antiquark negativi corrispondenti con filamenti flessibili di energia chiamati tubi di flusso. Quando le particelle collegate vengono separate, il tubo di flusso si allunga fino a raggiungere un punto in cui si rompe. Quando lo fa, rilascia energia sufficiente per formare una seconda coppia quark-antiquark che si divide e si lega alle particelle originali, producendo due coppie di particelle legate. (Il processo è simile al taglio a metà di un magnete a barra per ottenere due magneti più piccoli, entrambi con i poli nord e sud.)

"Abbiamo preso il noto fenomeno del tubo di flusso e l'abbiamo portato a un livello di energia più alto, " disse Kephart, professore di fisica alla Vanderbilt.

I fisici stanno elaborando i dettagli della loro nuova teoria dal 2012, quando parteciparono a un seminario che Kephart organizzò all'Isaac Newton Institute di Cambridge, Inghilterra. Berera, Buniy e Päs conoscevano tutti Kephart perché erano stati assunti come borsisti post-dottorato alla Vanderbilt prima di ottenere incarichi di facoltà. Nelle discussioni in officina, il gruppo è stato incuriosito dalla possibilità che i tubi di flusso possano aver giocato un ruolo chiave nella formazione iniziale dell'universo.

Secondo le attuali teorie, quando l'universo è stato creato è stato inizialmente riempito con un liquido surriscaldato e caricato elettricamente chiamato plasma di quark-gluoni. Questo consisteva in una miscela di quark e gluoni. (Nel 2015 il plasma di quark-gluoni è stato ricreato con successo in un acceleratore di particelle, il Relativistic Heavy Ion Collider al Brookhaven National Laboratory, da un gruppo internazionale di fisici, tra cui cinque di Vanderbilt:Stevenson Chair in Physics Victoria Greene, e professori di fisica Will Johns, Carlo Maguire, Paul Sheldon e Julia Velkovska.)

Kephart e i suoi collaboratori si resero conto che una versione a più alta energia del plasma di quark e gluoni sarebbe stato un ambiente ideale per la formazione del tubo di flusso nell'universo primordiale. Il gran numero di coppie di quark e antiquark che vengono create e annichilite spontaneamente creerebbe miriadi di tubi di flusso.

Normalmente, il tubo di flusso che collega un quark e un antiquark scompare quando le due particelle entrano in contatto e si auto annichilano, ma ci sono eccezioni.

Se un tubo prende la forma di un nodo, Per esempio, allora diventa stabile e può sopravvivere alle particelle che lo hanno creato. Se una delle particelle traccia il percorso di un nodo overhand, ad esempio, quindi il suo tubo di flusso formerà un nodo a trifoglio. Di conseguenza, il tubo annodato continuerà ad esistere, anche dopo che le particelle che collega si annichilano a vicenda. I tubi di flusso stabili vengono creati anche quando due o più tubi di flusso diventano interconnessi. L'esempio più semplice è il collegamento Hopf, che consiste di due cerchi interconnessi.

In questo modo, l'intero universo avrebbe potuto riempirsi di una fitta rete di tubi di flusso, immaginato dagli autori. Quindi, quando hanno calcolato quanta energia potrebbe contenere una tale rete, furono piacevolmente sorpresi nello scoprire che era abbastanza per alimentare un primo periodo di inflazione cosmica.

Da quando l'idea dell'inflazione cosmica è stata introdotta nei primi anni '80, i cosmologi hanno generalmente accettato la proposizione che l'universo primordiale abbia attraversato un periodo in cui si è espanso dalle dimensioni di un protone alle dimensioni di un pompelmo in meno di un trilionesimo di secondo.

Questo periodo di iperespansione risolve due importanti problemi in cosmologia. Può spiegare le osservazioni secondo cui lo spazio è sia più piatto che più liscio di quanto gli astrofisici pensano che dovrebbe essere. Nonostante questi vantaggi, l'accettazione della teoria è stata ostacolata perché non è stata identificata una fonte di energia adeguata.

"Non solo la nostra rete di tubi di flusso fornisce l'energia necessaria per guidare l'inflazione, spiega anche perché si è fermato così bruscamente, " disse Kephart. "Quando l'universo iniziò ad espandersi, la rete del tubo di flusso iniziò a decadere e alla fine si ruppe, eliminando la fonte di energia che alimentava l'espansione".

Quando la rete si è interrotta, riempì l'universo di un gas di particelle subatomiche e radiazioni, permettendo all'evoluzione dell'universo di continuare lungo le linee che sono state precedentemente determinate.

La caratteristica più distintiva della loro teoria è che fornisce una spiegazione naturale per un mondo tridimensionale. Ci sono un certo numero di teorie dimensionali superiori, come la teoria delle stringhe, che visualizzano l'universo come avente nove o dieci dimensioni spaziali. In genere, i loro sostenitori spiegano che queste dimensioni superiori sono nascoste alla vista in un modo o nell'altro.

La spiegazione della teoria del tubo di flusso deriva dalla teoria dei nodi di base. "E' stato Heinrich Päs che sapeva che i nodi si formano solo in tre dimensioni e ha voluto usare questo fatto per spiegare perché viviamo in tre dimensioni, " disse Kefart.

Un esempio bidimensionale aiuta a spiegare. Supponi di mettere un punto al centro di un cerchio su un foglio di carta. Non c'è modo di liberare il cerchio dal punto rimanendo sul foglio. Ma se aggiungi una terza dimensione, puoi sollevare il cerchio sopra il punto e spostarlo da un lato finché il punto non è più all'interno del cerchio prima di riabbassarlo. Qualcosa di simile accade ai nodi tridimensionali se aggiungi una quarta dimensione:i matematici hanno dimostrato che si sbrogliano. "Per questo motivo tubi annodati o collegati non possono formarsi in spazi di dimensioni superiori, " disse Kefart.

Il risultato netto è che l'inflazione sarebbe stata limitata a tre dimensioni. Dimensioni aggiuntive, se esistono, rimarrebbe di dimensioni infinitesimali, troppo piccolo per noi da percepire.

Il prossimo passo per i fisici è sviluppare la loro teoria fino a quando non fa alcune previsioni sulla natura dell'universo che possono essere testate.